Table Of ContentFORSCHUNGSBERICHTE
DES WIRTSCHAFTS- UND VERKEHRSMINISTERIUMS
NORDRHEIN-WESTFALEN
Herausgegeben von Staatssekretär Prof. Leo Brandt
Nr. 90
Forschungs-Institut der Feuerfest-Industrie, Bonn
Das Verhalten von Silikasteinen im Siemens-Martin-Ofengewölbe
Als Manuskript gedruckt
Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH
1954
ISBN 978-3-663-19989-2 ISBN 978-3-663-20339-1 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-663-20339-1
Forschungsberichte des Wirtschafts- und Verkehrsministeriums Nordrhein Westfalen
G 1 i e d e r u n g
. . . . .
1. Einleitung ••• s. 5
. . . . . .
s.
2. Problemstellung 7
3. Das Verhalten von Silikasteinen verschiedenen . . . . . .
Umwandlungsgrades im Siemens-Martinofen-Gewölbe s. 12
4. Der Verschleiß der Silikaste.i n.e .i m. S. ie.m .e n.s -
s.
Martinofen • • 22
. . . . . . .
5. Literaturverzeichnis • s. 48
Seite 3
Forschungsberichte des Wirtschafts- und Verkehrsministeriums Nordrhein Westfalen
1. Einleitung
Silikasteine werden im Siemens-Martinofen bis wenige Grade an ihren
Schmelzpunkt beansprucht. Die Stahlwerke haben daher schrittweise die
Abnahmebedingungen gegenüber den Angaben in den Normen verschärft. In
erster Linie wurde die Temperatur der Druckfeuerbeständigkeit als Kenn
zeichen der Qualität so knapp bis an den Schmelzpunkt erhöht, daß es
fraglich erscheint, ob eine ordnungsgemäße Durchführung der Prüfung noch
möglich ist und ob solchen Werten überhaupt noch eine technische Realität
zukommt.
In der folgenden Tabelle 1 sind verschiedene Abnahmebedingungen gegen
übergestellt. Zu bemerken wäre, daß die ta-Werte aus den Vergleichsver
suchen innerhalb des Deutschen am gleichen Stein
Fachnormenausschuss~s
zwischen 1670° und 1710°C lagen; innerhalb eines Prüflabors schwanken
die Werte allerdings nur geringfügig. Da Temperaturwerte normengemäß
auf 10° abzurunden sind, wird man auch bei einer weiteren Entwicklung
der Meßtechnik nicht unter eine Toleranz von: 10° kommen. Bei sehr schar
fen Anforderungen kann daher der Druckfeuerbeständigkeitswert allein
aufgrund der Maßtoleranz kein Qualitätsmaß sein.
Das Gefühl, daß die Prüfwerte der Silikasteine nur ungefähre
R~ckschlüsse
auf die Güte, dh. die Haltbarkeit zulassen, führte zu den Untersuchungen
1
von SPEITH über den sogenannten Tropfpunkt; Silikasteine im Siemens
Martinofen zeigen bei einer bestimmten Temperatur ein Aufglänzen bzw.
eine beginnende Tropfenbildung. Diese Temperatur wechselt wohl von Stein
qualität zu Steinqualität, bleibt aber während einer Ofenreise konstant;
sie liegt bei flußmittelarmen Silikasteinen im allgemeinen unter, bei
flußmittelreichen Steinen über dem entsprechenden Druckfeuerbeständigkeits-
wert.
Der Verschleiß wechselt von Siemens-Martinofen zu Siemens-Martinofen:
er ist abhängig von der Ofentype, der Temperaturverteilung, der Herd
flächenbelastung, dem Einsatz und den zu erschmelzenden Stahlqualitätan
und damit vom nicht zu vermeidenden Wechsel im Erzeugungsprogramm und
von der Arbeitsweise der Bedienungsmannschaft. Vergleichende Schlüsse
über die Haltbarkeit von Silikasteinen bei Abänderung bestimmter Eigen
schaften sind daher äußerst schwierig. Bezeichnenderweise sind auch
Seite 5
1-zj 0 11 lXI 0 § lXI o' (J) 11 1-'· 0 P' <+ (J) p. (J) lXI • 1-'· 11 <+ lXI 0 P' ...., 111 <+ lXI I § p. < (J) ~ lt lXI a 1-'· 1:1 1-'· lXI <+ (J) 11 1-'· ~ lXI !2l 0 11 ~ (J) 1-'· 1:1 • (J) lXI <+ ...., 111 1-' (J) 1:1
% ~ _
A *) 7,o % 1 ) 3 0 ~ _ 2,36
S * 9 o ~ _ -
U * . 2 3
üb. max(Al ~- I _ !2,3 H
T
von SM-Öfen Frankreich er **) *) 94,5 ~b. o,5-2,5 o 2, ~ax. 1 5 f::~3:~t::~:: 0 Jü~~5o-.._ __ I max. 2 5 % 21 % max.2,4o 2,35-2,4o bis 2,45 -I I 1,5% max. 2 % max. 1, 7% üb. 15o 15o -25o 2 2 kg/cm kg/cm - nach HALM *~ ** nach LETORT ***) nach L.A. SMI
1 n für Gewölbe Vergleichsuntsuchungen zum ta-Wert (FNM) ~oo~~69o: 0 0 169o167o 0 01~:._ ~9o -- --
I
e e - + _
ll ein on wert - _ 2 m
Tabe Silikast inzelt vh. Stahlgeforder ---- 0 ~69::.._ _ % 22 2,45 - - 2oo kg/c
n an veredtscken t- ber max. max. I üb.
e - ü
g n
gun ftech-4 - 0-l % ,45 2 m
edin chrieuts194 -- __67o 2o -2 - - kg/c
ahmeb Vorsin Dland t-- üb. } max. 2,4o I 35o
Abn o88 4,5 % 2 ,o % /::~ ~o~ l 5 % ,38 ,43 o kg/ 2 m
1 9 ~ 2 22 - -o c
DIN über max. :x~2 üb~ max. max. bis. üb. 1
~
_ - n
2 +Ti0032 ~---- ___ osität z. Gew. genändeg (bis o0) hwachse6oo0)
Si0 Al2 :: ta Por spe Länrun1oo Nac(1 KDF
I -
I
Ci] .... (J) <+ (J) 0\
Forschungsberichte des Wirtschafts- und Verkehrsministeriums Nordrhein Westfalen
größere im Ausland durchgeführte vergleichende Untersuchungsreihen bisher
häufig ohne klare Schlußfolgerungen geblieben2•
2. Problemstellung
Die wechselnden Bedingungen am Siemens-Martinofen machen es dringend
wünschenswert, klare Beziehungen zwischen dem Aufbau und den Eigenschaf
ten des Steins einerseits und seinem Verschleißverhalten bzw. seiner
Haltbarkeit andererseits aufzustellen. Grundsätzlich bestimmen Zusam
mensetzung und Gefüge des Silikasteins - bei vergleichbaren Verhältnis
sen im Ofen - die Haltbarkeit.
Die Bedeutung der Zusammensetzung, dh. der chemischen Analyse tritt durch
die verschärften Anforderungen neuerdings stärker hervor (KRANER3, BIRCH4)
und führte zu dem Begriff der "super-duty"-Silikasteine. Insbesondere
o
der Al2 3-Gehalt beeinflußt bei vorgegebener Temperatur den Anteil an
Schmelze im Silikastein sehr stark (Abbildung 1)5. Oberhalb 1550°c nimmt
der Anteil an Schmelze rasch zu; bei etwa 1650°-1670°C ist im allgemei
o
nen die Hälfte des Silikasteins geschmolzen. Der Einfluß des Al2 3-Ge
haltes auf das Erweichungsverhalten wird damit erklärt, doch sind bei
Anteilen unter 1 %A l2o3 die Erweichungstemperaturen innerhalb der Maß
genauigkeit zusammengedrängt. Nach amerikanischer Auffassung ist Ti02
ebenso schädlich, die Alkalioxyde sind es sogar in erheblicherem Maße
3,4,6
Ob und in welchem Umfang dieser Begriff der "super-duty"-Silikasteine
zu Recht besteht, erscheint neueren Betriebsergebnissen noch unge
nac~
klärt7, doch scheint nach Auswertung verschiedener Versuche, insbeson
dere jener von L.HALM8 ein Schmelzanteil von etwa 50 %z u einem Erweichen
bis zum Fadenziehen zu führen.
Die Druckfeuerbeständigkeit ist ein durch Konvention festgelegter Prüf
wert. Das Erweichen wird von mehreren Faktoren beeinflußt; als pseudo
plastisches Fließen ist es nicht nur von der Belastung, sondern auch von
der Prüfzeit abhängig. Schmelzanteil, Viskosität und Verzahnung der
Kristalle bestimmen die Verformungsgeschwindigkeit unter Last bei erhöh
ter Temperatur. Je geringer der Flußmittelanteil ist, bei desto höherer
Temperatur entwickelt sich die gleiche Schmelzmenge, desto deutlicher muß
der Einfluß der Verzahnung der Kristalle hervortreten.
Seite 7
Forschungsberichte des Wirtschafts- und Verkehrsministeriums Nordrhein Westfalen
1oo% Schmelze
;,
1-f--
II
ot.
9o 111 - -
I 1
So~
I I
V j
II
7o %
I I I
I I I
6o%
I 7
I
,___
I 'I I r
II
0 J
I I 1/
iY
'/ 7 7
~rv
y
<,)"/
/_ I
""
~11,
/' 0~J 1
3o%0 "~ ._'YI1t C)4,
/
~V ~~ v..~~/
~
...V --t-
-- ~ V ~V
2o~ V ./ vv
~ ~ L--l.--' ~ _.,... ~ V
~ -- ...",..
~ ~
1o% ~
A b b i 1 d u n g 1
Schmelzanteile im System CaO - Al2o3 - Si02 mit 2 %
CaO und wechselnden Al2o3-Gehalten
Seite 8
Forschungsberichte des Wirtschafts- und Verkehrsministeriums Nordrhein Westfalen
Mischungen von Si02 mit CaO, MgO, FeO,MnO werden durch eine sehr breite
Mischungslücke im Temperaturgebiet von 1685°-1695°C gekennzeichnet, wäh
rend im Gegensatz dazu Alkalioxyde die Schmelztemperatur kontinuierlich
herabsetzen, und Ti02 in beschränktem Umfang feste Lösungen mit Si02
bildet (Abbildung 2). Auch wird die Mischungslücke mit FeO und CaO durch
weitere Komponenten, insbesondere durch Al o beträchtlich vermindert;
2 3
o
andererseits wird die Mischungslücke mit FeO durch Fe2 3 wesentlich ver
breitert (Abbildung 3). Die breite Mischungslücke ist die Ursache, daß
der Silikastein gegen Eisenoxyde relativ beständig ist. Die abrinnende
Schlacke bzw. die Tropfen haben einen Si0 -Gehalt von 65- 80%9, was
2
1/2 bis 1/3 geschmolzenem Anteil entspricht.
Außer der Zusammensetzung der Silikasteine ist ihr Porenaufbau, gekenn
zeichnet durch Porenraum und Porengestalt, für den Verschleißvorgang
entscheidend. Ein großer Porenraum ist ungünstig, doch erheben sich auch
warnende Stimmen, daß ein zu niedriger Porenraum möglicherweise eine
stark erhöhte Empfindlichkeit gegen Temperaturwechsel zur Folge haben
könnte. Porengröße und Porengestalt werden weitgehend durch die Perme
abilität beschrieben. Nach allgemeiner Auffassung geht ein hoher Perme-
10 11
abilitätswert einem starken Angriff paral~el ' •
Quarz bzw. Quarzit wandeln sich bekanntlich unter Volumenvermehrung in
Cristobalit und Tridymit um, wobei das spez.Gewicht von 2,65 bis zu
2,33 absinkt. Steine mit nicht vollständiger Umwandlung zeigen oberhalb
1300° bis 1400°C ein deutliches Nachwachsen. Um Steine genügender Velum
stabilität zu erhalten, hat man daher die Werte für das spez. Gewicht
begrenzt, doch wurde immer wieder von Seiten der Stahlwerke darauf hin
gewiesen, daß Steine mit nicht vollständiger Umwandlung sich eher gün
stiger erwiesen; in Deutschland bevorzugen die Stahlwerke deutlich Stei
ne mit einem spez. Gewicht von 2,40. Verschiedene Vergleichsversuche
2
führten bisher zu keinem eindeutigen Ergebnis , sei es, daß die Bedin
gungen im Ofen bei den Vergleichsreihen zu unterschiedlich waren, sei
es, daß verschiedene Rohstoffe für die Steine verwendet wurden.
Wenig Beachtung hat bisher die Bedeutung der Oberflächenspannung bei der
Einwirkung der gefunden. Die Tatsache, daß tonge
Schlac~enbestandteile
bundene Silikasteine bzw. Quarzschamottesteine mit eisenarmen Schlacken
nur schmale Reaktionszonen ergeben, während CaO- gebundene Steine von
Seite 9
Forschungsberichte des Wirtschafts- und Verkehrsministeriums Nordrhein Westfalen
-------------+--~~~-----------+--------------------+0
\0
s::::
..Qc)
0
Ci)
0 ·rs-i
["-
Q)
~
N rO
>:.
><
~ 0
I
s:::: N
0
:;j ·r-i
Cf)
rO
0s::::
r-i
>
·r-i
0 s::::
/ CO ,..c .Q.p)
/ ./'"0' NI ,..c .....!
/ ·rl I ..cc.U
/ E-i ~
/ I H
/ Q)
>
/ / / 0 N r1->1i
/ ·r-i Cs>
/ / Cf) ..c
/ / ~ 0
/ Cf)
/
/ 0
0"\
----
(\j
0
·r-i
Cf)
0 0
Lr\ 0
\0 \0
Seite 10
